建筑物與冷卻塔散熱相互影響的仿真研究

傅烈虎，路 源

( 艾默生網(wǎng)絡(luò)能源有限公司，西安 710075 )

建筑物與冷卻塔散熱相互影響的仿真研究

傅烈虎，路 源

( 艾默生網(wǎng)絡(luò)能源有限公司，西安 710075 )

通過應(yīng)用6SigmaDCX仿真軟件對(duì)建筑設(shè)備進(jìn)行物理建模，分析了建筑物對(duì)冷卻塔散熱的影響，得到了冷卻塔所在空間的氣流場(chǎng)和不同高度的水平溫度場(chǎng)，同時(shí)發(fā)現(xiàn)冷卻塔的散熱對(duì)建筑物的圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱也有重要影響。

建筑物；冷卻塔；仿真研究

Abstract：Set up a physical modeling of building equipment by using simulation software of 6SigmaDCX,analyzed influence of building to cooling tower cooling, and got air flow field and the different levels of the horizontal temperature field.It is found that cooling tower cooling had an important impact on envelope heat transfer of building.Keywords：Building;Cooling tower;Simulation study

工業(yè)生產(chǎn)或制冷工藝過程中產(chǎn)生的廢熱，一般要用冷卻水來導(dǎo)走。冷卻塔的作用是將挾帶廢熱的冷卻水在塔內(nèi)與空氣進(jìn)行熱交換，使廢熱傳輸給空氣并散入大氣。建筑物的中央空調(diào)系統(tǒng)也需要冷卻水將建筑物內(nèi)的熱負(fù)荷導(dǎo)出到室外大自然環(huán)境中，其冷卻塔一般安裝在建筑物室外的裙樓平臺(tái)上面或者大樓的屋頂。但在大樓建設(shè)的設(shè)計(jì)初期，由于建筑專業(yè)和暖通專業(yè)的設(shè)計(jì)師溝通不充分，導(dǎo)致大樓建成后的室外平臺(tái)是否滿足冷卻塔的散熱要求具有不確定性。通過對(duì)室外冷卻塔的散熱進(jìn)行建模仿真是一個(gè)非常有效的熱環(huán)境評(píng)估手段。本文將采用6SigmaDCX仿真軟件對(duì)室外的建筑空間進(jìn)行建模仿真，分析其氣流場(chǎng)和水平溫度場(chǎng)。

1 冷卻塔的散熱原理

載熱流體在閉式冷卻塔換熱盤管內(nèi)及介質(zhì)冷卻設(shè)備間循環(huán)流動(dòng)，盤管上方的噴淋水沿排管均勻地噴灑在盤管的表面，在管壁外表面形成均勻的水膜，室外冷空氣由塔體下方的進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入塔內(nèi)，與噴淋水呈相反方向流經(jīng)盤管外的水膜層；通過接觸傳熱和一部分噴淋水蒸發(fā)散熱而吸收盤管內(nèi)水中的熱量而傳給空氣，吸收熱量后的飽和熱濕空氣由冷卻塔頂部的排風(fēng)機(jī)排至大氣中，其余的噴淋水流入塔體下部的集水盤，由循環(huán)水泵再輸送至噴淋系統(tǒng)。[1]

1-風(fēng)機(jī) 2-收水器 3-噴淋水管 4-換熱盤管5-集水器 6-循環(huán)泵 7-塔體圖1 冷卻塔的散熱原理

2 冷卻塔的安裝要求

冷卻塔的位置應(yīng)選擇在通風(fēng)良好、氣流通暢、濕熱空氣回流影響小的建筑物最小頻率風(fēng)向的上風(fēng)側(cè)；不應(yīng)布置在熱源、廢氣和煙氣排放口附近,如廚房排風(fēng)等高溫氣體排放處；不宜布置在高大建筑物中間的狹長(zhǎng)地帶上。當(dāng)冷卻塔設(shè)在地下或用圍墻、頂板等遮擋時(shí)，宜采用能將高溫氣流送至遠(yuǎn)離冷卻塔進(jìn)風(fēng)處的塔型,并應(yīng)配合生產(chǎn)廠進(jìn)行冷卻塔氣流組織的計(jì)算，避免熱空氣的回流，確保足夠的進(jìn)風(fēng)面積。同時(shí)，冷卻塔設(shè)置的高度宜靠近冷凍機(jī)組，以減少管道的水頭損失，達(dá)到節(jié)能目的。在冷卻塔的布置上，宜保證冷卻塔之間的距離，有良好的氣流組織條件，避免影響冷卻塔的散熱效果。冷卻塔宜單排布置，當(dāng)需多排布置時(shí)，塔排的間距應(yīng)保證塔排的同時(shí)進(jìn)風(fēng)量。單側(cè)進(jìn)風(fēng)塔的進(jìn)風(fēng)面宜面向夏季主導(dǎo)風(fēng)向，雙側(cè)進(jìn)風(fēng)塔的進(jìn)風(fēng)面宜平行夏季主導(dǎo)風(fēng)向。冷卻塔進(jìn)風(fēng)側(cè)離建筑物的距離宜大于塔進(jìn)風(fēng)口高度的2倍。冷卻塔的四周除滿足通風(fēng)要求和管道安裝位置外，還應(yīng)留有檢修通道，通道凈距不宜小于1m。[2]

3 建筑物對(duì)冷卻塔散熱影響

實(shí)際工程的冷卻塔安裝環(huán)境非常復(fù)雜，在設(shè)計(jì)初期往往無法準(zhǔn)確的核算其氣流組織效果是否合理。本文以某實(shí)際項(xiàng)目中的冷卻塔安裝為例，通過建立建筑物及室外冷卻塔的三維模型，應(yīng)用CFD仿真軟件對(duì)該項(xiàng)目中的冷卻塔的室外散熱情形進(jìn)行了模擬研究。

3.1 基本物理模型

實(shí)際的建筑物高40米，裙樓高10米，裙樓的室外平臺(tái)面積為10米×10米。建筑物的西北角為室外平臺(tái)，室外平臺(tái)上安裝有1臺(tái)冷卻塔，其外形尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為5米×5米×4米。冷卻塔為橫流閉式強(qiáng)制通風(fēng)類型，在室外平臺(tái)居中布置，裙樓的女兒墻高3.5米，正好將冷卻塔圍在中央。

冷卻塔的基本性能參數(shù)：進(jìn)、出水溫為30℃/35℃，濕球溫度為24℃，冷卻水流量為390L/s，空氣流量為180m3/s。

圖2 基本三維建筑設(shè)備模型

圖3 基本平面建筑設(shè)備模型

3.2 仿真軟件介紹

6SigmaDCX是一款專門進(jìn)行建筑物內(nèi)溫度場(chǎng)和氣流場(chǎng)進(jìn)行仿真計(jì)算分析的軟件，最新的10.0版本已經(jīng)支持對(duì)建筑物外空間進(jìn)行溫度場(chǎng)和氣流場(chǎng)的仿真計(jì)算。通過對(duì)建筑物外空間的仿真，可以幫助設(shè)計(jì)師們進(jìn)行冷卻塔設(shè)備的合理布局，恰當(dāng)?shù)脑O(shè)置安裝高度和安裝距離，并指導(dǎo)改善散熱通風(fēng)的方法和路徑。

在建筑物內(nèi)仿真方面，6SigmaDCX主要應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施的熱環(huán)境評(píng)估，通過對(duì)數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施的物理建模和仿真分析，找出數(shù)據(jù)中心目前存在的局部熱點(diǎn)或能效低下的原因，并給出合理的設(shè)備布局和氣流組織方式。

3.3 仿真結(jié)果分析

通過6SigmaDCX對(duì)建筑設(shè)備進(jìn)行建模并仿真計(jì)算分析，得到了該建筑設(shè)備模型下的氣流場(chǎng)和溫度場(chǎng)結(jié)果。

3.3.1 氣流場(chǎng)分析

由于女兒墻的存在，冷卻塔相當(dāng)于被女兒墻和周圍建筑包裹著。冷卻塔的進(jìn)風(fēng)氣流必須先繞過女兒墻才能進(jìn)到冷卻塔內(nèi)，并通過排風(fēng)機(jī)排走。通過室外的氣流場(chǎng)的氣流流向發(fā)現(xiàn)：大部分氣流進(jìn)到女兒墻內(nèi)后形成氣旋，基本氣流是在冷卻塔靠近建筑物的角落里徘徊，形成了一個(gè)氣旋死角，既沒有被冷卻塔吸進(jìn)去也沒有排出來。另外冷卻塔排出來的熱空氣(最高溫度達(dá)33.6℃)和建筑物墻體發(fā)生熱交換，會(huì)使得建筑物南半部分溫度有所升高。

圖4 三維建筑設(shè)備模型的氣流場(chǎng)

圖5 平面建筑設(shè)備模型的氣流場(chǎng)

3.3.2 溫度場(chǎng)分析

氣流場(chǎng)分析的優(yōu)點(diǎn)是可以看到設(shè)備進(jìn)出風(fēng)氣流溫度的變化情況，但它沒有顯示某個(gè)平面的溫度變化情況。溫度場(chǎng)的分析可以彌補(bǔ)這個(gè)缺憾。圖6～圖9分別顯示了高度方向5米、8米、13米和16米處的水平溫度場(chǎng)情況。其中5米和8米高處的水平溫度場(chǎng)位于冷卻塔安裝平面以下，建筑物南半部分溫度在高度方向上離冷卻塔越近的位置溫度越高；13米高處的水平溫度場(chǎng)正好位于冷卻塔安裝高度(10～14米)內(nèi)，其對(duì)應(yīng)的建筑物南部分溫度最高，因?yàn)榇颂庪x冷卻塔排風(fēng)最近，墻體熱交換最劇烈；16米高處的水平溫度場(chǎng)位于冷卻塔安裝平面以上，離冷卻塔排風(fēng)位置較遠(yuǎn)，其對(duì)應(yīng)的建筑物南部分溫度已開始下降。

可見，室外冷卻塔的散熱對(duì)在其安裝高度內(nèi)的建筑墻體圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱影響較大，該區(qū)域的圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱量對(duì)室內(nèi)空調(diào)的選型很重要，必須加大室內(nèi)熱負(fù)荷概算指標(biāo)，不應(yīng)再按100～150W/m2的熱負(fù)荷指標(biāo)來選擇室內(nèi)空調(diào)的冷量。這點(diǎn)在民用建筑的空調(diào)選型中特別重要，因?yàn)槊裼媒ㄖ氖覂?nèi)熱負(fù)荷大部分來自建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱。這種情況除了加大室內(nèi)熱負(fù)荷概算指標(biāo)外，還可以加強(qiáng)建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫，來減弱圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱影響。如果是在數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域，建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱影響可以忽略不計(jì)，因?yàn)閿?shù)據(jù)中心的主要熱負(fù)荷來自高發(fā)熱量的IT設(shè)備。

圖6 5米高處的水平溫度場(chǎng)

圖7 8米高處的水平溫度場(chǎng)

4 結(jié)論

冷卻塔的散熱與周圍的建筑環(huán)境有關(guān)。在滿足冷卻塔廠家的產(chǎn)品安裝要求的前提下，還要注意冷卻塔的周圍建筑環(huán)境對(duì)冷卻塔通風(fēng)散熱的影響，也要注意冷卻塔散熱對(duì)建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱的影響。在民用建筑中，要么在室內(nèi)空調(diào)冷量選型時(shí)加大熱負(fù)荷概算指標(biāo)，要么在室外加強(qiáng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫，以減弱冷卻塔散熱造成的室內(nèi)空氣品質(zhì)的下降。在數(shù)據(jù)中心中，可以忽略冷卻塔散熱造成的圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱影響。

圖8 13米高處的水平溫度場(chǎng)

圖9 16米高處的水平溫度場(chǎng)

[1] 趙振國(guó).冷卻塔[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，1996

[2] 楊琦.循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的節(jié)能與冷卻塔供冷技術(shù)[J].給水排水，2008,34(8):66-69

SimulationStudyonInteractionInfluenceofBuildingswithCoolingTowerCooling

FU Liehu，LU Yuan

( Emerson Network Power Co., LTD., 710075, Xi′an,China )

2017-2-21

傅烈虎(1982-)，男，碩士，高級(jí)工程師，從事數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施的架構(gòu)與設(shè)計(jì)。E-mail:fuliehu@aliyun.com

ISSN1005-9180(2017)03-055-04

TQ051.5文獻(xiàn)標(biāo)示碼A

10.3969/J.ISSN.1005-9180.2017.03.011